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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleiftechnik
M. Pschyklenk
Seminar Sensoren12.07.2010
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Gliederung
● Grundlagen Körperschall
● Grundlagen Sensorik
● Auswahl geeigneter Sensorik
● Hauptanwendung: Die Anschnitterkennung
● Beispiel: Kalibrierung einer Schleifscheibe
● Beispiel: Simultanschleifen
● Körperschallsensoren – Abrichtvorgänge
● Quellenverzeichnis
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Körperschall
Ein elastischer Festkörper kann neben Normalspannungen auch Schubspannungen aufnehmen.Deshalb können sich im allseitig unbegrenzten Festkörper zwei verschiedene Arten von Körperschallwellen ausbreiten, nämlich:
- Longitudinalwellen und - Transversalwellen .
Diese Wellen breiten sich unabhängig voneinander aus. Die Schallgeschwindigkeit ist nicht abhängig von der Frequenz, sondern wird durch die Dichte, den Schubmodul (Transversalwellen) und den Elastizitätsmodul (Longitudinalwellen) beeinflusst.
Abb1. Körperschallausbreitung in Körpern [1]
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Körperschall
Die Körperschall-Schwingungen liegen außerhalb des menschlichen Hörbereichs bei etwa 20 kHz bis 1 Mhz.
Diese Schwingungen liefern Aussagen über den Zerspanprozess und werden sensorisch erfasst. Sie können zudem mittels eines Diagnose- und Monitoringsystems zeitnah analysiert, bewertet und visualisiert werden.
Abb2. Freuquenzbereich des Körperschalls[2]
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technikGrundlagen Körperschall
Körperschall entsteht infolge der beim Spanabtrag in Werkzeug oder Werkstückwirkenden Kräfte und führt in den angeregten Maschi nenelementen zu messbarenSchwingungen
Körperschallentstehung beim Schleifen
→→→→ "Spanabtrag" im Werkzeug/Werkstück
Abb3. Entstehung von Körperschall beim Schleifen [3]
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik
Die Messbereiche der Sensoren werden aus Resonanzgr ünden beschränkt.
Gängige Frequenzbereiche sind 50 – 400 kHz oder 100 – 900 kHz
Sensoreigenschaften:
● hoch empfindlich● sehr kompakte, robuste Bauweise● kühlmittelresistent● temperaturunempfindlich● wasserdicht● überlastsicher
A: Piezoelektrisches Element
B: Dämpfungsmasse
C: Membran und Koppelelement
Abb4. Aufbau eines Körperschallsensors [1]
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik
Ladungsaufnehmer
→ Aufgrund der hohen Impedanz sind diese konventionellen Sensoren bezüglich Leitungslängen (Kabelkapazität), Feuchtigkeit, Erdschleifen und elektromagnetischer Störfelder für den industriellen Einsatz problematisch.
Abb5. Prinzipschaltung eines Ladungsaufnehmers [4]
• Die von einem piezoelektrischen Sensor abgegebene Ladung wird im Ladungsverstärker in eine proportionale Spannung umgewandelt
• Ein Ladungsverstärker besteht im Wesentlichen aus einem invertierenden Spannungsverstärker mit hoher innerer Verstärkung und kapazitiver Gegenkopplung
• Der Eingang ist meist mit einem MOSFET bestückt, um den nötigen hohen Isolationswiderstand und einen möglichst geringen Leckstrom zu
gewährleisten
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik
ICP Technik (Integrated Circuit Piezoelectric)
→ Hervorragend geeignet für den industriellen Einsatz, auch für dynamische Messaufgaben
Abb6. Prinzipschaltung eines ICP Sensors [5]
• Der Sensor beinhaltet neben dem eigentlichen Piezoelement einen zusätzlichen Impedanzwandler
• Das so erhaltene niederohmige Spannungssignal wird zum Verstärker weitergeleitet
• Unproblematischer Umgang bezüglich Leitungslänge,
Kabelkapazität etc…
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik
SEA-Mini, Fa. Nordmann ASK, Fa. MPM
ASM (Rotor/Stator), Fa. MPMRingsensor (Rotor/Stator), Fa. Dittel
Abb7. Ring-Sensor, Dittel[5]
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik
SEH (Hydrophon), Fa. Nordmann
• Die Funktion des AE-Fluid-Sensors beruht auf dem Prinzip der Schallwellenübertragung über einen Flüssigkeitsstrahl
• Als Flüssigkeit zur Schallübertragung dient der ohnehin schon in der Werkzeugmaschine vorhandene Betriebskühlschmierstoff
• Der Messstrahl kann so unmittelbar und somit unverfälscht an den Zerspanprozess auf das Werkzeug, das Werkstück oder auf deren Halterungen gerichtet werden
• Aufgrund der elektrischen und akustischenEntkopplung des AE-Fluid-Sensors von der Werkzeugmaschine werden maschineneigene Stör- und Nebengeräusche wirkungsvoll unterdrückt.
Sonderbauform: Hydrophon
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Auswahl geeigneter Sensoren
Prozessüberwachung
SchleifenAbrichten
Visualisierung und Auswertung
stehendes Werkzeug rotierendes Werkzeug stehende
Werkstückaufnahme
rotierende
Werkstückaufnahme
Visualisierung oder
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Auswahl geeigneter Sensoren
2x SEH-Sensor
2x ASK-Sensor
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Hauptanwendung: Die Anschnitterkennung
Schleifzyklus ohne Anschnitterkennung
Niedrige Zustellgeschwindigkeit
→ lange Taktzeit
→ hohe Fertigungskosten
Hohe Zustellgeschwindigkeit
→ Scheibe wird deformiert
→ Qualitätsprobleme
Schleifzyklus mit Anschnitterkennung
VSchr
.
VLuft
→ Wirtschaftlichkeit
→ Qualitätsabsicherung
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Hauptanwendung: Anschnitterkennung
Schleifscheibe
Werkstück
CNC
VLuftVSchr
.
Auswertegerät
Körperschall
20 kHz – 2 MhzKörperschallsensor mit integriertem Vorverstärker
Meßbereich:
ca. 100 – 900 kHz
Körperschallverstärker
Arbeitsbereich:
ca. 100 – 500 kHz
→→→→ Filterung
→→→→ Glättung
→→→→ lin. und log. Verstärkung
Ausgangssignal: 0 - 10 V DC
(Wiederholungsrate ca. 10 kHz)
Schaltschwelle –graphisch einstellbar
Anfeuerlinie –
Zeitpunkt des Kontaktes
Systematik: Umschaltung VLuft / VSchr.
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Hauptanwendung: Anschnitterkennung
Funktion: Vorschubgeschwindigkeits-Umschaltung V Luft / VSchr.
Körperschallsignal
Leistungssignal
Weg – X-Achse
VLuft
VSchr.
Umschaltpunkt
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik
Weitere Optionen der Anschnitterkennung:
● Kollisionsüberwachung (Crash Control): Eine Kollision des Werkzeuges wird schnellst möglich erkannt und ist die Grundlage für eine Vermeidung bzw. Minimierung weiterer Schäden.
● Untermaßerkennung: Wird bis zu einem bestimmten Punkt kein Kontakt erkannt, wird der Schleifzyklus abgebrochen und das zu kleine Werkstück ausgesondert
● Prozessvisualisierung: Der Prozessverlauf wird auf einem Display visualisiert. Prozesstechnologen werden Aussagen über den Prozessverlauf möglich. Damit kann der Prozess beobachtet und eine Prozess- und Fehleranalyse durchgeführt werden.
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Beispiel: Kalibrierung einer Schleifscheibe
Sensor:
im Wuchtapparat intergriert
Sensor:
Rotor/Stator
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Beispiel: Simultanschleifen
1. Kontakt 2. Kontakt
3. Innen- und Außenspindel: simultane Zustellung
Werkstück
InnenspindelAußenspindel
Hydrophon
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Beispiel: Simultanschleifen
1. Kontakt Außenspindel
→ Rückzug
2. Kontakt Innenspindel
→ Rückzug
3. Innen- und Außenspindel verfahren gleichzeitig bis zur der durch Anschnitterkennung ermittelten Position
→ Nur ein Körperschallsensor nötig!
Leistung Spindel 1
Leistung Spindel 2
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Körperschallsensoren - Abrichtvorgänge
Automatisiertes Abrichten einer CBN Schleifscheibe
Abb8. Automatisiertes Abrichten [6]
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Körperschallsensoren - Abrichtvorgänge
Weitere Körperschallsensor Anwendungen beim Abricht en von Schleifscheiben:
• Teachen des Abrichtwerkzeugs
• Finden von Schleifscheibenfehlern (Kantenausbrüche, Löcher)
• Zustandsüberwachung von Abrichtwerkzeugen
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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Quellenverzeichnis
[1] Einführung in die Beschleunigungsmessung und Körperschallanalyse, Dr. Th. Petzsche, Kistler Instrumente GmbH, Ostfildern Nov. 2003
[2] www.dittel.com
[3] Basisseminar Schleiftechnik, WZL Aachen GmbH, 12.2007
[4] Kistler, http://www.kistler.com/ch_dede/Technology_ChargeAmplifiers/Ladungsverstaerker.html
[5] http://www.dittel.com/werkzeugmaschinen-produktgruppen.php?idpg=4&idp=34
[6] Hohe Sensibilität Entwickeln, Adalbert Sporer, www.dittel.com
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